TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ZIGBEE

Truyền thông không dây đang được sử dụng ngày càng phổ biến cho cả công nghiệp và dân dụng. Vì vậy,việc tiếp cận bổ sung kiến thức truyền thông không dây là rất cần thiết. Trong các dạng truyền thôngkhông dây, dạng truyền thông zigbee rất phổ biến trong công nghiệp vì tính an toàn, bảo mật và khảnăng mở rộng của nó. Mục tiêu của đồ án này là tìm hiểu và xây dựng bài thí nghiệm truyền thông khôngdây sử dụng Zigbee. Cụ thể sinh viên được yêu cầu thực hiện các công việc sau:Phần 1. Tìm hiểu về chuẩn truyền thông Zigbee (slide và các datasheet) Bối cảnh ra đời và mục tiêu hướng đến của chuẩn ZigBee Định nghĩa ZigBee Các đặc tính cơ bản của Zigbee Phạm vi ứng dụng của ZigBee Các loại nút trong mạng ZigBee và vai trò của chúng Các loại mạng topology của mạng ZigBee Các chế độ hoạt động của một nút ZigBee Các hãng phân phối ZigBee chính Phân biệt ZigBee với IEEE 802.15.4Phần 2. Tìm hiểu về mô hình 7 lớp Mục tiêu ra đời Nội dung mô hình 7 lớp Ứng dụng của mô hình 7 lớpPhần 3. Ứng dụng Nêu 1 ứng dụng của ZigBee với liên hệ ánh xạ lí thuyết với thực tế với đầy đủ các yếu tố: mạngtopology, chế độ hoạt động, các nút và vai trò của nó, … Hoặc liên hệ với ứng dụng đèn HUE của PhilipPhần 4. Trả lời một số câu hỏi thường gặp về ZigBee Phân biệt ZigBee với Bluetooth Phân biệt ZigBee 802.15.4 với ZigBee

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2020 ĐỒ ÁN I TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ZIGBEE ******* Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Việt Tùng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Khởi MSSV:20173988 Lớp:Điều khiển vá tự động hóa 03-K62 Kỳ học:20192 Năm học: 2019-2020 Mục lục Trang Lời mở đầu…………………………………………………… …………… Nội dung……………………………………………………………… … Phần 1: Tìm hiểu chuẩn truyền thông Zigbee…………………… 1.Bối cảnh đời mục tiêu hướng đến chuẩn ZigBee…………………… … 2.Định nghĩa ZigBee………………………………………………………… ………… ⚫ Định nghĩa……………………………………………………………………… ⚫ Dải tần Zigbee………………………………………………………… ………… ⚫ Các nhà sản xuất hỗ trợ Zigbee ……………………………………………… 3.Các thành phần mạng ZigBee…………………………………… …… A/ Phân loại theo chức năng………………………………………………………………… … ⚫ FFD (Full Function Device) …………………………………………………… .…… ⚫ RFD (Reduce Function Device)…………………………………………… .……… B/ Phân loại theo vai trò mạng……………………………………………………… .…… ⚫ Zigbee Condinator (ZC)…………………………………………………………… ⚫ ZigBee Router(ZR)………………………………………………………… ……… ⚫ ZigBee End Device (ZED)………………………………………………………… Các đặc tính ZigBee……………………………………………… …… ⚫ Tính ổn định………………………………………………………………………………… ⚫ Tính bảo mật……………………………… ……………………………………………… ⚫ Khả mở rộng………………………………………………………………………… ⚫ Giá thành rẻ……………………………………………………………………………… ⚫ Khả hỗ trợ…………………………………………………………………………… Phạm vi ứng dụng ZigBee…………………………………………… ……… 6.Các loại mạng topology mạng ZigBee……………………………………… .…… • • Mạng hình (Star Network)……………………………………………… .…… Mạng hình lưới (Mesh Network)…………………………………………… … • Mạng hình lưới (Mesh Network)………………………………………… ……… 7.Các loại nút mạng ZigBee vai trò chúng Mối quan hệ 802.15.4 Zigbee A Chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4 B Mối quan hệ 802.15.4 Zigbee Phần 2: Tìm hiểu mơ hình lớp………………………… ………… …… Mục tiêu đời………………………………………………………………… … II Nội dung mơ hình lớp………………………………………………………… … … III Các tầng chuẩn ZigBee………………………………………………………… I Tầng vật lý: ………………………………………………………………………… …… … Tầng điều khiển liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC………………………… …… Tầng mạng Zigbee/IEEE 802.15………………………………………… Tầng vận chuyển (Transport layer – lớp 4) … Tầng giao dịch (Session layer – lớp Tầng trình bày (Presentation layer – lớp 6)… Tầng ứng dụng Zigbee/IEEE 802.15.4 Phần 3: Ứng dụng Zigbee Điều khiển thiết lập bóng Philips Hue White Tầm quan trọng Zigbee Cách để kết nối ZigBee bóng đèn Hue Phần 4:Trả lời số câu hỏi thường gặp ZigBee………………………… Ưu điểm nhược điểm Zigbee………………………………………………………… So sánh Zibgee – Wifi – Bluetooth…………………………………………………… …… Các câu hỏi liên quan………………………………………………………………………… Kết luận………………………………………………………………… …… Tài liệu tham khảo……………………………………………………… … Danh mục hình ảnh bảng Trang Hình Khái quát chung ZigBee Hình 2- Dải tần ZigBee Hình 3: Ứng dụng ZigBee PLC Hình 4- Ứng dụng ZigBee cảm biến Hình 5- Ứng dụng ZigBee rơle Hình 6- Mạng hình (Star Network) Hình Cấu trúc mạng lưới Hình Cấu trúc mạng Hình 9- Các nút mạng ZigBee 10 Hình 10 – ZigBee IEEE 802.15.4 11 Hình 11- Mơ hình mạng lớp 12 Hình 12 - Kiến trúc OSI kiến trúc Zigbee 13 Hình 13- Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp - Stack) kiến trúc Zigbee 14 Hình 14-Các tầng chuẩn ZigBee 15 Hình 15-Bóng đèn HUE 16 Hình 16- Mạng topology ứng dụng đèn hue Philip 17 Hình 17- Phạm vi tín hiệu Zigbee 18 Hình 18- ZigBee nhà thơng minh 19 Hình 19 Philips Hue Bridge 20 Hình 20: Hướng dẫn sử dụng ZigBee cho Hue 21 Bảng 1: Ưu nhược điểm ZigBee 22 Bảng 2: So sánh ZigBee Bluetooth 23 Bảng3: So sánh Zibgee – Wifi – Bluetooth Lời mở đầu Để hoàn thành đồ án này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, cô giáo Viện điện trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người giảng dậy tạo điều kiện cho em trình học tập nghiên cứu trường Những kiến thức mà em nhận hành trang giúp chúng em vững bước tương lai Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Việt Tùng, nguời tận tình huớng dẫn, bảo, giúp đỡ em suốt thời gian em nghiên cứu hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn gia đình ban bè hết lòng huớng dẫn, bảo tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian vừa qua Mặc dù em cố gắng hoàn thành đồ án phạm vi khả Tuy nhiên khơng tránh khỏi điều thiếu sót Em mong nhận đuợc cảm thơng tận tình bảo q thầy toàn thể bạn Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2020 Sinh viên thực Khởi Nguyễn Thị Khởi Nội dung Phần Tìm hiểu chuẩn truyền thông Zigbee 1.Bối cảnh đời mục tiêu hướng đến chuẩn ZigBee Hàng ngày thấy ví dụ cách thức cơng nghệ thơng tin viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi sống người giới.Từ mức độ hay mức độ khác, cách mạng kỹ thuật số lan rộng đến ngõ ngách toàn cầu Trong cách mạng viễn thông ngày nay, người quản lý, trao đổi, giao tiếp tranh luận, mua bán thử nghiệm-nghĩa thực tất loại hình hoạt động cách thức mà có ICT làm Mạng viễn thơng tạo cầu nối liên kết loài người khắp hành tinh cúa chúng ta, mở rộng khơng ngừng, đày hứa hẹn khơng mọt chút bí ẩn Tuy vậy, dải băng tần eo hẹp nhiều thách thức muốn đạt đầy đủ tiềm Các nhà khoa học giới nghĩ đến việc sử dụng dải băng tần cao hơn, việc vấp phải nhiều trở ngại cơng nghệ chế tạo chưa theo kịp.Vì giải pháp cấp bách đưa sử dụng chung kênh tần số, nhiều vấn đề phát sinh, ví dụ can nhiễu lẫn thiết bị tần số, vấn đề xảy xung đột thiết bị Một công nghệ ứng dụng mạng liên lạc đạt hiệu công nghe ZigBee Hy vọng thông qua vấn đề đề cập đồ án này, bạn đọc có đánh giá hiểu biết sâu sắc công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 vai trị tiềm sống Định nghĩa ZigBee ⚫ Định nghĩa Hình Khái qt chung ZigBee Cơng nghệ ZigBee công nghệ áp dụng cho hệ thống điều khiển biến có tốc độ truyền tin thấp có chu kỳ hoạt động dài ZigBee ngôn ngữ không dây, dùng để kết nối thiết bị lại với ZigBee hoạt động dựa thơng số kỹ thuật chuẩn 802.15.4 ZigBee sử dụng tín hiệu radio có tần dố tương đối ngắn, cấu trúc ZigBee bao gồm tầng vật lý địa MAC, ngồi ZigBee cịn thiết lập tầng khác nhằm mục đích , thiết bị hãng nhận diện tự tạo kết nối cách dễ dàng Nhờ vào kiểu thiết kế truyền thơng đặc thừ hình Zigag tương tự tổ ong mà ZigBee có khả cho phép nhiều nhóm thiết bị truyền thơng tin với khoảng thời gian Phạm vi cho phép truyền thông mạng ZigBee từ 75m đến hàng trăm mét, ưu điểm so với Bluetooth hay Wibree ⚫ Dải tần Zigbee Tín hiệu truyền giao thức Zigbee thực chất tín hiệu radio Zigbee hỗ trợ dải tần số sau: Hình 2- Dải tần ZigBee Dải 868,3 Mhz: Chỉ kênh tín hiệu Trong dải tốc độ truyền 20kb/s Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ - 10 với tốc độ truyền thường 40kb/s Dải 2,4 Ghz - 2,835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức Zigbee dải tần 2,4 Ghz - 2,835 Ghz Đây dải tần phổ biến hỗ trợ nhiều thiết bị Hơn với Zigbee, dải tần có tới 16 kênh tín hiệu dải (mỗi kênh cách 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất: 250kb/s • Các nhà sản xuất hỗ trợ Zigbee Thị trường nhà thông minh mở rộng ngày, thay sử dụng ứng dụng tương ứng với thiết bị từ nhà sản xuất khác nhau, bạn cần ZigBee để kiểm soát tất Không sử dụng rộng rãi Nhà thông minh mà nhiều nhà cung cấp cấp viễn thơng sử dụng ZigBee Họ tích hợp vào máy thu phát vệ tinh cổng nhà Thậm chí nhiều trung tâm nhà thơng minh cịn cho phép bạn quét quản lý tất thiết bị ZigBee mà bạn sở hữu Sự cạnh tranh không bao giời kết thúc tương lai, bạn có nhiều quyền kiểm sốt với thiết bị nhà sản xuất khác Amazon Echo Plus ví dụ điển hình Alexa điều khiển loạt thiết bị Nó không cần chấp thuận nhà sản xuất ứng dụng họ Echo Plus quản lý tất thiết bị Zigbee theo cách trực tiếp gián tiếp Đây ví dụ, có nhiều tên tuổi lớn khác sử dụng Zigbee cho hệ thống nhà thơng minh họ, bao gồm: • • • • Philips Samsung Bosch Ikea • • • • • • Huawei Honeywell Belkin Evyhome Lumi Smarthome Bkav Smarthome Đây số nhà sản xuất Nếu bạn nghĩ đến việc nâng cấp nhà mình, có nhiều cách để làm điều Các thành phần mạng ZigBee A/ Phân loại theo chức • • FFD (Full Function Device) thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức theo chuẩn IEEE802.15.4 đảm nhận nhiều vai trò mạng RFD (Reduce Function Device) thiết bị giới hạn số chức năng, giao tiếp với FFDs , áp dụng cho ứng dụng đơn giản B/ Phân loại theo vai trò mạng • Zigbee Condinator (ZC): Là định danh mạng ZigBee Nhiệm vụ của ZC: − Thiết lập mạng − Thiết lập kênh hoạt động − Thiết lập PAN ID cho mạng − Quyết định stack profile để dùng − Hoạt động router mesh routing − Hoạt động gốc tree, trê routing sử dụng • ZigBee Router(ZR): − Tìm tham gia mạng − Duy trì broadcast thơng qua mạng − Tham gia tìm đường gồm khám phá trì đường − Cho phép thiết bị khác tham gia • ZigBee End Device (ZED): nút truyền thông với Coordinator Router gần nó, chúng coi điểm cuối mạng có nhiệm vụ hoạt động/đọc thơng tin từ thành phần vật lý ZED có kết cấu đơn giản thường trạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm lượng Chúng "đánh thức" cần nhận gửi thông điệp Các thiết bị thường chia làm loại FFD (Full Function Device) RFD (Reduced Function Device) Trong FFD hoạt động Coordinator, Router End Device, cịn RFD đóng vai trị End Device mạng ZigBee Chúng có chức năng: − Tìm tham gia mạng − Tìm ZC kết nối tới ZC cũ bị − Sleep hầu hết thời gian để tiết kiêm pin − Polling parent để xem có gói tin gửi tới chúng chúng sleep hay khơng Các đặc tính ZigBee Hiện có nhiều giao thức truyền thông không day phổ biến , nhiên so với chúng ZigBee có nhiều đặc trưng vượt trội phù hợp với hệ thống cơng nghiệp • • • • • Tính ổn định: ZigBee hình lưới có đặc điểm tự thích nghi, tức chúng có khả tự xây dựng lại hoạt động bình thường vài nút bị hỏng, tìm đường khác đường thông thường bị chặn-đây tình xảy cơng nghiệp Tính bảo mật: Chuẩn ZigBee hỗ trợ bảo, mật nhiều tầng, gồm có tầng xác thực bản, mã hóa AES 128 bit, bảo mật cấu hình thành sáp nhập nút vào mạng Khả mở rộng: chế định địa 64 bit mở rộng đến 65000 mạng, có khả bao quat tồn nhà mây cơng nghiệp Giá thành rẻ: bao gồm chi phí mua thiết bị, chi phí lắp đặt chi phí bảo trì Các thiết bị ZigBee hoạt động pin vài năm mà khơng cần có sạc, đồng thời nút hoạt động chế độ nghỉ (sleep mode) giúp tiết kiệm đáng kể lượng Khả hỗ trợ: chuẩn mở với nhiều nhà cung cấp, hỗ trợ nhiều ứng dụng ngày cải tiến, phát triển rộng rãi Phạm vi ứng dụng ZigBee Công nghệ ZigBee giúp giải phần vấn đề thường xuyên đặt sống dại như: tiêu thụ điện cho hiệu , chi phí lắp đặt, bảo trì sửa chữa thiết bị điện nhà, ZigBee chủ yếu sử dụng để tạo mạng có yêu cầu tốc độ truyền liệu thấp bảo đảm hiệu lượng kết nối mạng bảo mật,an toàn Các ứng dụng thực tế smart home-nhà thông minh hệ thống tưới, dành cho y tế(health care), quản lý lượng cách thông minh (smart energy), Đặc biệt ZigBee ứng dụng truyền thông công nghiệp Một hệ thống tự động hóa cơng nghiệp gồm có thành phần chính: + Bộ điều khiển: PLC trung tâm PLC phân tán Hình 3: Ứng dụng ZigBee PLC + Cảm biến: thu nhận trạng thái môi trường (nhiệt độ, áp suất, dịng điện, điện áp…) Hình 4- Ứng dụng ZigBee cảm biến + Cơ cấu chấp hành: van, mơtơ, rơle… Hình 5- Ứng dụng ZigBee rơle Phần Tìm hiểu mơ hình lớp I Mục tiêu đời Vào năm 1970, thiết bị đầu cuối sử dụng phương pháp liên kết qua đường cáp nằm khu vực đời, với ưu điểm nâng cao tốc độ truyền liệu qua kết hợp khả tính tốn máy tính lại với Ðể thực việc nâng cao khả tính tốn với nhiều máy tính nhà sản xuất bắt đầu xây dựng mạng phức tạp Vào năm 1980 hệ thống đường truyền tốc độ cao thiết lập Bắc Mỹ Châu Âu từ xuất nhà cung cấp dịnh vụ truyền thơng với đường truyền có tốc độ cao nhiều lần so với đường dây điện thoại Với chi phí thuê bao chấp nhận được, người ta sử dụng đường truyền để liên kết máy tính lại với bắt đầu hình thành mạng cách rộng khắp Các mạng LAN, MAN, WAN đời nhanh chóng phát triển số lượng, quy mô, chất lượng, công nghệ.Tuy nhiên, năm 80, mà ưu loại mạng máy tính thể rõ đặt thách thức tiêu chuẩn kết nối thiết bị ngoại vi Hình 11- Mơ hình mạng lớp Kết hệ thống có thời cho phép thiết bị (cả phần cứng phần mềm) nhà sản xuất kết nối với gọi hệ thống đóng Điều bất tiện cho việc triển khai mạng phiền toái cho người sử dụng muốn lắp đặt mạng phục vụ cho công việc, hạn chế ngăn cản việc mở rộng mạng cách “thoải mái” cho quy mô lớn hơn, việc truyền thơng máy tính từ nhà cung cấp khác khó khăn, lẽ chúng sử dụng giao thức định dạng liệu khác Chính lý mà tổ chức quốc tế cần có quy chuẩn chung cho việc thiết kế lắp đặt mạng Trên giới có số quan định chuẩn, họ đưa hàng loạt chuẩn mạng, chuẩn có tính chất khuyến nghị khơng bắt buộc chúng quan chuẩn quốc gia coi trọng Hai số quan chuẩn quốc tế là: ISO (The International Standards Organization) - Là tổ chức tiêu chuẩn quốc tế hoạt động bảo trợ Liên hợp Quốc với thành viên quan chuẩn quốc gia với số lượng khoảng 100 thành viên với mục đích hỗ trợ phát triển chuẩn phạm vi toàn giới Mơ hình OSI (Open system interconnection – Mơ hình kết nối hệ thống mở) sở dành cho việc chuẩn hố hệ thống truyền thơng, nghiên cứu xây dựng ISO Việc nghiên cứu mơ hình OSI bắt đầu ISO vào năm 1971 với mục tiêu nhằm tới việc nối kết sản phẩm hãng sản xuất khác phối hợp hoạt động chuẩn hoá lĩnh vực viễn thông hệ thống thông tin Đến năm 1984, mơ hình tham chiếu OSI thức đưa giới thiệu II.Nội dung mơ hình lớp Cũng giống truyền thông công nghiệp, thực giao thức truyền thông, người ta thường phải dựa mơ hình kiến trúc chuẩn Bất kỳ giao thức truyền thơng qui chiếu tới lớp mơ hình kiến trúc tương ứng Trong truyền thông công nghiệp ta biết đến mơ hình qui chiếu OSI lớp Trong giao thức Zigbee, người ta định nghĩa kiến trúc giao tiếp, kiến trúc Zigbee Có thể hiểu kiến trúc tương tự kiến trúc OSI lớp truyền t hơng cơng nghiệp, xem hình Hình 12 - Kiến trúc OSI kiến trúc Zigbee Ta xem xét cụ thể kiến trúc Zigbee: Hình 13- Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp - Stack) kiến trúc Zigbee Cấu trúc giao thức ZigBee Tương tự giao thức truyền thơng khác, ZigBee có kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, tầng vật lý tầng MAC (Medium Access Control) định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4 Sau ZigBee Alliance định nghĩa thêm thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee device objects – ZDO) đối tượng người dùng (cho phép tùy biến theo ứng dụng) Trong đó, việc thêm vào ZDO cải tiến đáng kể nhất, đối tượng thực nhiều tác vụ định nghĩa vai trò thiết bị, tổ chức yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị III Các tầng chuẩn ZigBee Hình 14-Các tầng chuẩn ZigBee Tầng vật lý: cung cấp dịch vụ dịch vụ liệu (PHY) dịch vụ quản lý (PHY) Dịch vụ liệu (PHY) điều khiển việc thu phát khối liệu PPDU thơng qua kênh sóng vơ tuyến vật lý Các tính tầng vật lý là: Sự kích hoạt giảm kích hoạt giảm phận nhận sóng , phát lượng , chọn kênh , sốđường truyền , giải phóng kênh truyền, thu phát gói liệu qua mơi trường truyền Tầng điều khiển liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC Tầng điều khiển liệu có chức cung cấp dịch vụ: dịch vụ liệu MAC (Media Access Control) dịch vụ quản lý MAC Trong đó, dịch vụ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát khối MPDU (MAC Protocol Data Unit) thông qua dịch vụ liệu PHY Nhiệm vụ tầng MAC quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian bảo đảm GTS (Guaranteed Time Slots), điều khiển kết nối giải phóng kết nối, Phát khung Ack Tầng mạng Zigbee/IEEE 802.15 Tầng mạng mơ hình giao thức Zigbee xây dựng dựa tầng điều khiển liệu Một mạng hoạt động mạng khác riêng biệt Tầng mạng phải đảm nhận chức là: • • • • • • Thiết lập mạng Tham gia làm thành viên mạng hoạt động tách khỏi mạng thành viên mạng Cấu hình thiết bị hệ thống yêu cầu, gán địa cho thiết bị tham gia vào mạng Đồng hóa thiết bị mạng để truyền tin mà khơng bị tranh chấp, thực đồng hóa gói tin thơng báo beacon Bảo mật: gán thơng tin bảo mật vào gói tin gửi xuống tầng Định tuyến, giúp gói tin đến tin mong muốn Có thể nói thuật toán Zigbee thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng định tuyến phân cấp tối ưu áp dụng trường hợp thích hợp 4.Tầng vận chuyển (Transport layer – lớp 4): Tầng vận chuyển xác định địa mạng, cách thức chuyển giao gói tin sở trực tiếp hai đầu mút, đảm bảo truyền liệu tin cậy hai đầu cuối (end-to-end) Để bảo đảm việc truyền ổn định mạng tầng vận chuyển thường đánh số gói tin đảm bảo chúng chuyển theo thứ tự.Bên cạnh lớp thực chức đièu khiển luồng điều khiển lỗi.Các giao thức phổ biến TCP, UDP, SPX 5.Tầng giao dịch (Session layer – lớp 5): Thực thiết lập, trì kết thúc phiên làm việc hai hệ thống Tầng giao dịch quy định giao diện ứng dụng cho tầng vận chuyển sử dụng Nó xác lập ánh xạ tên đặt địa chỉ, tạo tiếp xúc ban đầu máy tính khác sở giao dịch truyền thơng Nó đặt tên quán cho thành phần muốn đối thoại riêng với nhau.Các giao thức lớp sử dụng NFS, X- Window System, ASP 6.Tầng trình bày (Presentation layer – lớp 6): Tầng trình bày chuyển đổi thông tin từ cú pháp người sử dụng sang cú pháp để truyền liệu, ngồi nén liệu truyền mã hóa chúng trước truyền đễ bảo mật.Nói đơn giản tầng định dạng liệu từ lớp đưa xuống gửi đảm bảo cho bên thu đọc liệu bên phát Các chuẩn định dạng liệu lớp GIF, JPEG, PICT, MP3, MPEG … Tầng ứng dụng Zigbee/IEEE 802.15.4 Chức tầng ứng dụng application Framework Zigbee là: • • Dị tìm xem có nốt thiết bị khác hoạt động vùng phủ sóng thiết bị hoạt động hay khơng Duy trì kết nối, chuyển tiếp thơng tin nốt mạng Chức application Profiles là: • • • Xác định vai trò thiết bị mạng Thiết lập trả lời yêu cầu kết nối Thành lập mối quan hệ thiết bị mạng Chức tầng Application thực chức nhà sản xuất qui định để bổ sung thêm vào chức Zigbee qui định Phần 3: Ứng dụng ZigBee Với ZigBee, bạn có nút điều phối điều khiển nút khác - ví dụ Amazon Echo Plus tích hợp Zigbee Nếu nút lí kết nối khơng thành cơng giao tiếp với nút thứ hai mạng lưới, nút nút thứ hai giao tiếp với cách liên kết với nút thứ ba phạm vi phủ sóng Mỗi nút hoạt động kích tín hiệu, tất nút mạng lưới tham gia góp phần việc phân phối liệu Ví dụ, bạn có bóng đèn cơng tắc đèn hỗ trợ Zigbee Bạn muốn cơng tắc điều khiển bóng đèn, sử dụng mạng lưới kết nối Zigbee dù hai thiết bị thuộc nhà sản xuất khác Chỉ cần đảm bảo chúng hiểu ngơn ngữ chung để khơng có rào cản mặt giao tiếp Bóng đèn thơng minh Philips Hue white, giải pháp ánh sáng tuyệt vời dành cho nhà bạn Hỗ trợ điều khiển giọng nói thơng qua trợ lý ảo Amazon Alexa, Google Assistant, Apple Siri (Yêu cầu phải có trung tâm Philips Hue Bridge thiết bị nhận diện giọng nói có giao thức Zigbee) Trải nghiệm ánh sáng mờ mịn, không sáng, không tối với chức tùy chỉnh độ sáng Hỗ trợ tạo tự động hóa, lên lịch cho bóng đèn, chức mở rộng dành riêng cho bóng đèn HUE Hình 15-Bóng đèn HUE Zigbee khơng tập trung nhiều vào điểm kết nối Chẳng hạn gửi liệu qua cổng Bluetooth thiết bị có cơng suất cao đến thiết bị có cơng suất cao khác phạm vi ngắn, mạng lưới Zigbee hoạt động tuyệt vời Hình 16- Mạng topology ứng dụng đèn hue Philip Hue sử dụng Zigbee Zigbee yêu cầu hỗ trợ cấu trúc liên kết "Mạng lưới" Điều khiển thiết lập bóng Philips Hue White Tất chức thơng minh ứng dụng với Philips Hue hub • • • • • • Tự động bật đèn phát chuyển động với cảm biến chuyển động Philips Chuyển sang ngữ cảnh ánh sáng yêu thích tăng/giảm độ sáng với Philips Hue Dimmer Tự động bật đèn gần tới nhà với liên kết với tọa độ từ điện thoại bạn Bật đèn mở cửa với cảm biến cửa… Điều khiển đèn từ xa lúc nơi Kiểm tra tình trạng bóng đèn nhận thơng báo có thay đổi trạng thái Có ba loại radio Zigbee; Điều phối viên, định tuyến thiết bị cuối • • • Điều phối viên trung tâm cầu nối, nơi thiết bị đăng ký Bộ định tuyến nút mạng lưới Họ giao tiếp trở lại với điều phối viên chuyển sang nút khác Thiết bị kết thúc nói chuyện với thiết bị mẹ (bộ định tuyến điều phối viên), chúng chuyển tiếp liệu Tầm quan trọng Zigbee Zigbee hỗ trợ kết nối mạng lưới, nên tháo tác bạn tương tác với thiết bị ổn định hơn, có nút phát tín hiệu bị lỗi Có thể đánh giá Zigbee có vai trị việc kết nối mạng lưới vì: Bảo mật Mạng lưới Zigbee bảo mật khóa đối xứng 128 bit Đây mã hóa đạt tiêu chuẩn thường sử dụng hoạt động trực tuyến ngân hàng Khơng thế, mã hóa phổ biến quan phủ Do đó, Zigbee làm tăng khả bảo mật ứng dụng hệ thống nhà thơng minh bạn Cấu hình mạng Mỗi điểm nút Zigbee cho phép bước nhảy không giới hạn thiết bị để truyền đạt liệu với Mỗi điểm nút có vai trị lặp truyền tải tín hiệu độc lập để tự kết nối với mà không cần phải liên tục kết nối với điều khiển trung tâm Ngồi ra, Zigbee sở hữu 65.000 điểm nút, khiến trở thành mạng lưới lớn để kết nối thiết bị thông minh khác, hoạt động xuyên suốt trình vận hành Sử dụng lượng hiệu Sử dụng kết nối nhiều thiết bị nhà, khiến bạn e ngại vấn đề điện tiêu thụ Zigbee giúp bạn sử dụng nguồn điện hiệu kết nối thiết bị, nghĩa giúp bạn kiểm sốt tốt hoạt động thiết bị, làm giảm điện tiêu thụ tháng Phạm vi tín hiệu Zigbee hoạt động hiệu mạng lưới kết nối nhà, khơng đẳng cấp mạng lưới khác đủ để bạn trải nghiệm hệ thống nhà thông minh Bất kỳ chướng ngại vật nhà cản trở tín hiệu Zigbee Hình 17- Phạm vi tín hiệu Zigbee Khả tương thích cao Ngày nay, thiết bị thơng minh có hỗ trợ Zigbee đa dạng, nên khơng khó để bạn kết nối thiết bị mạng lưới Zigbee Độ tin cậy Zigbee ổn định đường truyền tốt thiết bị thơng minh nhà Vì thế, bạn điều khiển hoạt động thiết bị hiệu Hình 18- ZigBee nhà thơng minh Cách để kết nối ZigBee bóng đèn Hue Bạn cần có Philips Hue Bridge, nguồn, cáp ethernet hai bóng đèn • • • Kết nối Bridge vào mạng nhà bạn cách cắm dây mạng từ Bridge vào router WiFi Vì Philips Hue Bridge cần kết nối trực tiếp dây ethernet Tải ứng dụng Hue từ App Store CH Play Đăng kí tài khoản ứng dụng Đợi tất bốn đèn sáng lên Philips Hue Bridge Và sau bạn bắt đầu trình thiết lập Hình 19 Philips Hue Bridge Thiết lập đèn Philips Hue Hue App Khi bạn truy cập ứng dụng Philips Hue cần phải đăng kí tài khoản Bạn đăng kí tài khoản gmail tài khoản Đây phần quan trọng giúp bạn điều khiển bóng đèn ngồi bạn làm theo hướng dẫn ứng dụng • Khi bạn mở ứng dụng, tự động bắt đầu tìm kiếm Bridge • • • • • • • Chọn Set up/cài đặt Nhấn vào hình Philips Hue Bridge mà hình Sau kết nối chọn Acept/chấp nhận Chạm vào cầu Pair Bidge phía Tạo tên cho “nhà” Tiếp theo quét mã phía sau cầu Hue Và sau bạn cần làm theo hướng dẫn hồn thành Philips Hue tự động tìm hub xung quanh Chọn “Enable” Chọn Connect Nhấn “Done” Nhấn vào hub để xác nhận Add light Thêm đèn Add light 10 Đặt tên cho phịng 11 let’s go Tạo vị trí cho đèn 12 Bạn chọn màu sắc theo cảnh có sẵn Hình 20: Hướng dẫn sử dụng ZigBee cho Hue Kiểm nghiệm kết thực tế • • • Khoảng cách xa từ Hub đến bóng đèn thứ khoảng 25-30m Kiểm tra bóng đèn thứ xem có phải Router khơng nhận kết trả khơng Bóng chập chờn khơng nhận tín hiệu điều khiển Điều khiển màu cường độ sáng bóng thực tốt tương đối ổn định Phần Trả lời số câu hỏi thường gặp ZigBee Ưu điểm nhược điểm Zigbee Để thấy ưu điểm nhược điểm giao thức Zigbee theo dõi bảng đây: Ưu điểm Nhược điểm * Giá thành thấp * Lỗi điểm * Tiêu thụ công suất nhỏ gây lỗi hệ thống * Kiến trúc mạng linh hoạt * Tốc độ truyền thấp * Được hỗ trợ nhiều công ty * Chưa có đầy đủ thiết bị * Số lượng nút lớn (65k) dễ dàng mở rộng để phát triển mạng *Tường vật cản khác làm giảm * Bạn kiểm sốt giám sát sản đáng kể sức mạnh truyền dẫn phẩm từ xa thiết bị di động * Mã hóa AES-128, mang đến yên tâm hoàn toàn sử dụng Bảng 1: Ưu nhược điểm ZigBee Để cho rõ ràng hơn, ta làm phép so sánh chuẩn Zigbee chuẩn không dây phổ biến khác : Chuẩn Bluetooth Đặc tính Tiêu thụ công suất Giá thành ( đầu 2005) Độ nhạy Độ linh hoạt Độ an toàn Vùng làm việc Zigbee Bluetooth 10mA 100mA 1,1 $ 3$ -92dbm(0,63pW) -62dbm(6,2pW) 65536 nút nút (trong sơ đồ sao) (trong sơ đồ sao) 128 bit mã hóa 64/128 bit mã hóa Hiệu 10 - 75m Hiệu < 10m Bảng 2: So sánh ZigBee Bluetooth Có thể thấy với ứng dụng cho nhiều phần tử, yêu cầu độ linh hoạt cao, giá thành thấp, tiêu thụ công suất nhỏ dùng chuẩn Zigbee phù hợp So sánh Zibgee – Wifi – Bluetooth Zigbee Tần số Data Rate Khoảng cách Wifi Bluetooth 868 Mhz/ 915 Mhz/ 2.4 Ghz 2.4 GHz 20-250Kbps 1-100Mbps 10-100m 30-100m 2.4 Ghz/ Ghz Bảng3: So sánh Zibgee – Wifi – Bluetooth 1-3Mbps 2-10m Zigbee tương tự Bluetooth đơn giản hơn, Zigbee có tốc độtruyền liệu thấp hơn, tiết kiểm lượng Một nốt mạng mạng Zigbee có khả hoạt động từ tháng đến năm với nguồn hai ácqui AA Phạm vi hoạt động Zigbee 10-75m Bluetooth 10m (trong trường hợp khơng có khuếch đại) Zigbee xếp sau Bluetooth tốc độ truyền liệu Tốc độ truyền Zigbee 250kbps 2.4GHz, 40kbps 915MHz 20kbps 868MHz tốcđộ Bluetooth 1Mbps Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ phù hợp với mạng hình tĩnh thiết bị giao tiếp với thơng qua gói tin nhỏ Loại mạng cho phép tối đa tới 254 nút mạng Giao thức Bluetooth phức tạp loại giao thức hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại mạng (một loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất bị hạn chế khơng gian thời gian) Các thiết bị Bluetooth hỗ trợ mạng scatternet tập hợp nhiều mạng piconet khơng đồng Nó cho phép tối đa nút slave mạng chủtớ 3.Câu hỏi: a/ Tại wifi zigBee truyền phạm vi 100m người ta lại sử dụng nhiều wifi hơn???? Trả lời Do Zigbee mạng điều khiển cảm biến, ổn định tin cậy, khoảng cách xa thời gian ngắn, tuổi thọ nút tương đối lớn, gói liệu nhỏ, tức thời, thời gian thực (nhỏ khoảng thời gian từ lúc truyền nhận liệu) wifi mạng liệu, audio video cần truyền với tốc độ nhanh wifi sai số điểm b/ Khi kiểm nghiệm thực tế nối Hub vào wifi câu hỏi đạt người khác có mật wifi vật có phải họ điều khiển hệ thống đèn nhà không? Trả lời Câu trả lời không Chỉ bạn nhấn kết nối vào Hub bạn có quyền truy cập vào hệ thống, cịn bạn khơng kết nối, tức nhấn vào hub bạn khơng thể kết nối hay điều khiển hệ thống Điều chứng minh lại lần Zigbee có tính bảo mật tốt c/ Tại ZigBee lại tồn nhiều dải tần?? Trả lời Tùy thuộc vào khu vực mà ZigBee có dải tần khác Dải tần mà ZigBee sử dụng dải tần tự không cần phải xin phép, dải tần tự tương ứng với khu vực địa lý khác giới nên ZigBee tồn nhiều dải tần khác Kết luận Mạng cảm nhận không dây gồm số lượng lớn thiết bị có khả cảm nhận truyền thơng khơng dây Việc xác định chuẩn 802.15.4 có ý nghĩa quan trọng việc xác định không gian ứng dụng, thiêt kế mạng cảm nhận khơng dây Thơng qua ứng dụng cụ thể y tế cho mạng cảm nhận khơng dây Truyền thơng khơng dây ngày có vai trị quan trọng ứng dụng cơng nghiệp Trong số đó, tính linh động, khả mở rộng khả hoạt động ổn định ưu điểm khiến ZigBee trở nên vượt trội so với giao thức truyền thông phổ biến khác, đặc biệt hệ thống điều khiển/giám sát công nghiệp Với hệ thống đòi hỏi thời gian thực, ZigBee phù hợp cho chức giám sát Còn hệ thống chấp nhận độ trễ nhỏ (10ms chặng), ZigBee trở nên hữu dụng tầng giám sát tầng điều khiển Zigbee chuẩn giao tiếp chưa sử dụng nhiều Việt Nam Tuy nhiên giới chuẩn quan tâm phát triển mạnh mẽ Dự báo năm tới chíp hỗ trợ chuẩn tăng đột biến Ta nên nghiên cứu tìm hiểu dần cơng nghệ này!! Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Việt Tùng, ngƣời tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! Tài liệu tham khảo: Implementing ZigBee™ in Existing Industrial Automation Networks, Sensors Expo 2005 Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Wireless Automation Systems: Optimizing Reliability, Security and Coexistence, 2008 Archana R Raut et al., ZigBee: The Emerging Technology in Building Automation, International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE) Andreas Wettergren, ZigBee in Industry, 2007 5.http://www.zigbee.org/About/AboutTechnology/ZigBeeTechnology.aspx http://www.wisegeek.org/what-is-zigbee.htm 7.https://smarthomekit.vn/den-philips-hue-setup/?fbclid=IwAR1EkIsOlXkg3EYRvdlFUFfDhcqaMQIK1epD6HikOrVunBm9Nf8BRlMcI3 Y 8.http://kinglock.vn/zigbee 9.https://zigbeeresearch.wordpress.com/2013/06/20/chuan-truyen-thong-zigbee-ieee-802-154/ 10 https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/zigbee-coordinator 11 https://www.academia.edu/7709377/Nh%C3%B3m_2._CNDVK1._VAA_ZIGBEE_IEEE_8 02.15.4?auto=download 12 https://www.academia.edu/7709377/Nh%C3%B3m_2._CNDVK1._VAA_ZIGBEE_IEEE_8 02.15.4?auto=download ... nút mạng ZigBee 10 Hình 10 – ZigBee IEEE 802 .15 .4 11 Hình 11 - Mơ hình mạng lớp 12 Hình 12 - Kiến trúc OSI kiến trúc Zigbee 13 Hình 13 - Kiến trúc lớp (hay ngăn... Zigbee Bluetooth 10 mA 10 0mA 1, 1 $ 3$ -92dbm(0,63pW) -62dbm(6,2pW) 65536 nút nút (trong sơ đồ sao) (trong sơ đồ sao) 12 8 bit mã hóa 64 /12 8 bit mã hóa Hiệu 10 - 75m Hiệu < 10 m Bảng 2: So sánh ZigBee... 14 Hình 14 -Các tầng chuẩn ZigBee 15 Hình 15 -Bóng đèn HUE 16 Hình 16 - Mạng topology ứng dụng đèn hue Philip 17 Hình 17 - Phạm vi tín hiệu Zigbee 18 Hình 18 -